SU1364911A1 - Method of determining temperature - Google Patents

Abstract

Изобретение м.б. использовано дл  повышени  точности и эксплуатационных качеств полупроводниковых резистивных термометров. Цель изобретени  - повышение точности определени  температуры в услови х длительной эксплуатации. Через полупроводниковый терморезистор (ПТР) пропускают ток, который производит его нагрев. Температуру дополнительного нагрева контролируют сравнением полученного сопротивлени  с первоначальным сопротивлением. Измер ют ток нагрева, соответствуюруш сопротивлению ПТР, и определ ют рассеиваемую на нем электрическую мощность. Определ ют температуру нагрева из уравнени  теплового баланса подогретого ПТР. Постепенно увеличивают температуру нагрева ступенчатыми изменени ми тока нагрева. Процесс увеличени  тока нагрева прекращают, если уменьшение сопротивлени  ПТР становитс  меньше (О, по сравнению с предьщущим состо нием. По результатам измерени  трех значений сопротивлений ПТР и по току нагрева вычисл етс  с помощью ЭВМ температура контролируемой среды. 1 нп. с слInvention m. used to improve the accuracy and performance of semiconductor resistance thermometers. The purpose of the invention is to improve the accuracy of determining the temperature under long-term operation conditions. Through a semiconductor thermistor (MFR) current is passed, which produces its heating. The temperature of the additional heating is controlled by comparing the obtained resistance with the initial resistance. The heating current corresponding to the resistance to the MTR resistance is measured, and the electric power dissipated on it is determined. The heating temperature is determined from the heat balance equation of the heated MFR. The heating temperature is gradually increased by stepwise changes in the heating current. The process of increasing the heating current is stopped if the decrease in the resistance of the MFR becomes smaller (O, compared to the previous state. According to the measurement results of three values of the resistance to MFR and to the heating current, the temperature of the controlled medium is calculated using a computer. 1 np.

Description

соwith

(Э5(E5

Jib соJib co

11eleven

Изобретение относитс  к технике измерени  температуры различных сред с помощью полупроводниковых термо резисторов и может быть использовано дл  повышени  точности и эксплуатационных качеств полупроводниковых резистивных термометров.The invention relates to a technique for measuring the temperature of various media using semiconductor thermal resistors and can be used to improve the accuracy and performance of semiconductor resistive thermometers.

Цель изобретени  - повьшение точности определени  температуры полу- проводниковыми терморезисторами в услови х длительной эксплуатации без дополнительных промежуточных калибровок .The purpose of the invention is to increase the accuracy of temperature determination by semiconductor thermistors during long-term operation without additional intermediate calibrations.

На чертеже представлена структур- на  схема устройства, реализующего предложенный способ.The drawing shows a structural diagram of the device that implements the proposed method.

Устройство содержит управл емый источник 1 тока, к которому подключены последовательно соединенные полу- проводниковый терморезистор (ПТР) 2 и низкоомный калиброванный резистор 3 с сопротивлемием R, преобразователь 4 сопротивлени  в напр жение и преобразователь 5 тока в на- пр жение, мультиплексор 6, аналого- цифровой преобразователь (АЩТ) 7, цифроаналогоБЫЙ преобразователь (ЦАП 8, микро-ЭВМ 9 с цифровым индикатором 10.The device contains a controlled current source 1, to which are connected in series a semiconductor thermistor (MFR) 2 and a low-resistance calibrated resistor 3 with resistance R, resistance-to-voltage converter 4 and current-to-voltage converter 5, multiplexer 6, analog - a digital converter (ACP) 7, a digital-analog converter (D / A converter 8, microcomputer 9 with digital display 10.

Способ осуществл етс  следующим образом.The method is carried out as follows.

ПТР 2 помещают в контролируе гую среду с температурой 0 и измер ют его сопротивлениеThe MFR 2 is placed in a controlled medium with a temperature of 0 and its resistance is measured.

R Ае R Ae

в at

где А - коэффициент, имеющий размерность сопротивлени ; В - коэфф1п;иент, имеющий размер- ность тег-тературы и определ ющий 1увствительность ПТР. Сопротивление R, ПТР 2 преобразуетс  преобразователем 4 в напр жение которое мультиплексором 6 подаетс  на вход АЦП 7. Цифровой код, соответствующий сопротивлению терморезистора R, при контролируемой температуре 6, поступает в микро-ЭВМ 9, где запоминаетс . Пропускают че- рез НТР ток, который нагревает рабочее тело ПТР. В результате дополнительного нагрева ПТР его сопротивление уменьшаетс  в соответствии с его температурной характеристикой. Температуру дополнительного нагрева повышают увеличением тока до значени , при котором первоначальное сопротивление ПТР R, уменьшаетс  наwhere A is the coefficient having the dimension of resistance; B is a coefficient; an agent that has a dimension of tag-terature and which determines the sensitivity of the MFI. Resistance R, MFR 2 is converted by converter 4 into a voltage that multiplexer 6 is fed to the input of ADC 7. A digital code corresponding to the resistance of thermistor R, at a controlled temperature of 6, enters the micro-computer 9, where it is stored. A current is passed through the NTR, which heats the working medium MFR. As a result of the additional heating of the MFR, its resistance decreases in accordance with its temperature response. The temperature of the additional heating is increased by increasing the current to a value at which the initial resistance to the MFR R decreases by

1212

5-10%. Сопротивление дополнительно Hai peToro ПТР5-10%. Resistance Optional Hai peToro PTR

R.R.

(2)(2)

где дб, - температура дополнительного нагрева.where db is the temperature of additional heating.

Температуру дополнительного нагрева -18, контролируют сравнением полученного сопротивлени  В с первоначальным сопротивлением R, из услови  :The temperature of additional heating -18 is controlled by comparing the obtained resistance B with the initial resistance R, from the condition:

0,05 R,R,-R,j.O,l R. . (3)0.05 R, R, -R, j.O, l R.. (3)

Измер ют ток нагрева I,, соответствующий сойротивлению ПТР R, и определ ют рассеиваемую на нем злек- трическуто мощностьThe heating current I ,, is measured, corresponding to the resistivity of the MFR R, and the power dissipated on it is measured.

Р,1,.(4)P, 1,. (4)

Ток подогрева I ,, протекающий через низкоомный калиброванный резистор 3, преобразуетс  преобразователем 5 в напр жение, которое через мультиплексор 6 поступает в АЦП 7, где кодируетс  и после этого запоминаетс  в микро-ЭВМ 9. Определ ют температуру дополнительного нагрева из уравнени  теплового баланса подогретого ПТРThe heating current I, flowing through the low-impedance calibrated resistor 3 is converted by converter 5 into voltage, which through multiplexer 6 enters ADC 7, where it is encoded and then stored in the microcomputer 9. The temperature of the additional heating is determined from the heated heat balance equation PTR

р; iiRtR; iiRt

CSCS

CS CS

(5)(five)

гg

.J.J

5 Q 5 Q

5five

где S - поверхность охлаждени  ПТР; С - коэффициент рассе ни , учитывающий все виды распростра- нени  тепла от рабочего те-, ла ПТР (конвекци , теплопроводность и тепловое излуче ние).where S is the cooling surface of the MFR; C is the scattering coefficient, which takes into account all types of heat propagation from the working body, LF (convection, thermal conductivity and thermal radiation).

Нагрев терморезистора осуществл етс  по командам с микро-ЭВМ 9. На выходе ЦАП 8 вырабатываетс  ступенчатое управл ющее напр жение, которое измен ет ток нагрева терморезистора источником 1,Heating of the thermistor is performed by commands from the microcomputer 9. At the output of the DAC 8, a stepped control voltage is produced, which changes the heating current of the thermistor by the source 1,

Дл  электрической разв зки изме- .рителъного тока преобразовател  4, протекающего через ПТР 2, с током нагрева от источника 1 последний делают переменным с синусоидальной или пр моугольной формой кривой. Программой микро-ЭВМ предусмотрено сравнение каждого нового значени  сопротивлени  ПТР с предыдущим и определение относительного приращени  на каждую ступень нагрева. Количест- 1For electrical isolation, the measured current of the transducer 4 flowing through the MFR 2 with the heating current from source 1 is made variable with a sinusoidal or rectangular waveform. The microcomputer program provides for the comparison of each new value of the resistance to MFI with the previous one and the determination of the relative increment for each heating stage. Quantity - 1

во ступеней в нагревающем токе определ етс  достижением услови  (3).in steps in the heating current is determined by the achievement of condition (3).

Постепенно увеличивают температуру нагрева ПТР ступенчатыми измене- ни ми тока нагрева 11, фиксиру  при каждом увеличении тока уменьшение сопротивлени  ПТР, При этом приращение тока jl выбирают равными первоначальному значению тока подогрева . В результате нагрева ПТР происходит уменьшение его сопротивлени , причем с каждым приращением тока 1 уменьшаетс  приращение сопротивлени  лК из-за падающего характе- ра температурной зависимости сопротивлени  ПТР.Gradually increase the temperature of the MFR heating by stepwise changes in the heating current 11, fixing at each current increase the decrease in the MFR resistance. At the same time, the current increment jl is equal to the initial value of the heating current. As a result of the heating of the MFR, its resistance decreases, and with each increment of the current 1, the increase in the resistance of LK decreases due to the falling nature of the temperature dependence of the MFR resistance.

Процесс увеличени  тока нагрева прекращают, если уменьшение сопротивлени  ПТР становитс  меньше 0,5-1% по сравнению с предыдущим состо нием . Установившийс  ток нагрева 1 , где п - число приращений тока, обуславливает более высокую температуру нагрева ПТР , соответствующую области низкой чувствительности ПТР к изменени м температуры .The process of increasing the heating current is stopped if the decrease in the MFR resistance becomes less than 0.5-1% compared with the previous state. The steady-state heating current 1, where n is the number of current increments, causes a higher temperature for heating the MFR, corresponding to the area of low sensitivity of the MFR to temperature changes.

Достижение слабой зависимости сопротивлени  ПТР от приращени  тока нагрева означает выход на пологий участок температурной характеристики ПТР (), где экспоненциальный член уравнени  (1 ) имеет следуюш {й вид:Achieving a weak dependence of the MFR resistance on the heating current increment means reaching the gently sloping portion of the MFR temperature characteristic (), where the exponential term of equation (1) has the following {th form:

gB/()lgB / () l

В этом режиме сопротивление ПТР приближаетс  к своему минимальному значениюIn this mode, the MFR resistance approaches its minimum value.

,(7), (7)

которое измер ют с допустимой погрешностью .which is measured with an acceptable error.

При этом мощность, рассеиваема  на ПТР с учетом максимальной измер емой температуры, не должна превышать предельно допустимого значени  дл  используемого типа терморезистора .In this case, the power dissipated by the MFR, taking into account the maximum measured temperature, should not exceed the maximum permissible value for the type of thermistor used.

По результатам измерени  трех значений сопротивлени  терморезистора R,, R,j, R 5 току нагрева вычисл етс  с помощью микропроцессора ЭВМ температура контролируемой среды 6, котора  индицируетс  в цифовой фор- ме на индикаторе 10;According to the results of measuring the three values of the resistance of the thermistor R, R, j, R 5 to the heating current, the temperature of the controlled medium 6 is calculated using a microprocessor of the computer, which is displayed in digital form on the indicator 10;

9 r iB llil}52l l5l9 r iB llil} 52l l5l

InR-lnR InR-lnR

CSCS

36493649

ю 15 20 25 зо ju 15 20 25 so

3535

4040

4545

5050

11eleven

Значени  величин S и С хран тс  в пам ти микро-ЭВМ в качестве констант .При этом возможен учет зависимости коэффи1шента рассе ни  от тепло- физических свойств контролируемой среды и ее температуры заданием коэффициента рассе ни  массивом экспериментальных данных, хран щихс  в посто нном запоминающем устройстве ЭВМ. Из (8) следует, что результат вычислени  температуры не зависит от коэффициентов терморезнстора А и В, а определ етс  только измер емыми сопротивлени ми Н, R . и Е , током нагрева ,, поверхностью охлаждени  Б и коэффициентом рассе ни  С ПТР.The values of S and C are stored in the memory of the microcomputer as constants. At the same time, it is possible to take into account the dependence of the scattering coefficient on the thermal properties of the controlled medium and its temperature by specifying the scattering coefficient of the array of experimental data stored in the permanent storage device. COMPUTER. From (8) it follows that the result of the calculation of the temperature does not depend on the coefficients of thermoresistor A and B, but is determined only by the measured resistances H, R. and E, the heating current, the cooling surface B, and the dissipation factor C PTR.

Выбор первоначального нагрева ПТР из услови  (З) и прекращение дальнейшего его нагрева исход  из достижени  монотонного уменьшени  сопротивлени  ПТР в пределах, меньших 0,5- 1%, сделан из следующих соображений. Дл  малоинерционных бусинковых ПТР, например типа СТ1-18, СТ1-19, СТЗ-25 и т.п., температурный коэффициент сопротивлени , характеризующий чувствительность ПТР, измен етс  от 3-8%/К до 0,6-0,9%/К при б 500-600°С, т.е. снижаетс  примерно в 10 раз.The choice of the initial heating of the MFR from the condition (G) and the cessation of its further heating, based on the achievement of a monotonous decrease in the MFR resistance in the range of less than 0.5-1%, is made from the following considerations. For low-inertia bead MFR, such as type CT1-18, CT1-19, STZ-25, etc., the temperature coefficient of resistance, which characterizes the sensitivity of the MFR, varies from 3-8% / K to 0.6-0.9% / K at b 500-600 ° С, i.e. decreases by about 10 times.

Первоначальный нагрев из услови  (3) обеспечивает корректность применени  формулы (5), котора  справедлива дл  малых перепадов между нагретым телом и окружающей средой. В то же врем  такой перегрев значительно превьшает уровень тепловых флуктуации ПТР и контролируемой среды. Поэтому дес тикратное уменьшение чувствительности ПТР в процессе постепенного нагрева ПТР свидетельствует о достижении пологого участка его температурной характеристики.The initial heating from condition (3) ensures the correctness of the application of formula (5), which is valid for small differences between the heated body and the environment. At the same time, such overheating significantly exceeds the level of thermal fluctuations of the MFR and the controlled medium. Therefore, a tenfold decrease in the sensitivity of the MFR in the process of gradual heating of the MFR indicates that a flat section of its temperature characteristic is reached.

Таким образом, повышение точности определени  температуры терморе- зистивным термометром достигнуто за счет исключени  вли ни  нестабильности коэффициентов терморезисторов; определ ющих его температурную характеристику и чувствительность, а также непосто нстэа напр жени  питани  и чувст вительности преобразовател  сопротивлени  терморезистора в электрическое напр жение, измер емое выходным прибором терморезистив- ного термометра.Thus, an increase in the accuracy of temperature determination by a thermistor resistive thermometer is achieved by eliminating the influence of the instability of the coefficients of the thermistors; determining its temperature characteristics and sensitivity, as well as non-constant voltage supply and sensitivity of the resistance transducer of the thermistor to electrical voltage, measured by the output device of the thermistor.

Claims (1)

Формула изобретения цесс увеличения тока нагрева при уменьшении сопротивления терморезисСпособ определения температуры, заключающийся в пропускании тока через размещенный в контролируемой среде полупроводниковый терморезистор и измерении его сопротивления, дополнительном нагреве тврморезистора относительно контролируемой среды то- ю ком и измерении сопротивления дополнительно нагретого терморезистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, температуру дополнительного нагрева термо- 15 резистора повышают до значения, при котором первоначальное сопротивление терморезистора уменьшается на 5-10%, измеряют ток, создающий указанный нагрев терморезистора, постепенно 20 увеличивают температуру нагрева терморезистора ступенчатыми изменениями тока нагрева, фиксируя при каждом увеличении тока величину уменьшения сопротивления терморезистора, при 25 этом приращения тока выбирают равны- ми первоначальному значению тока нагрева терморезистора, прекращают про тора относительно предшествующего значения менее 0,5-1%, измеряют минимальное сопротивление нагретого терморезистора, а температуру Θ контролируемой среды определяют по формуле θ _/lnR^-lnRs\ I?Rz • ^kInRlnR₂ “S' ’ где R , - сопротивление терморезистора при температуре контролируемой среды;Formula of the invention cess of increasing the heating current while decreasing the thermal resistance The method of determining the temperature, which consists in passing current through a semiconductor thermistor located in a controlled environment and measuring its resistance, additional heating the thermistor relative to the controlled environment, and measuring the resistance of an additionally heated thermistor, characterized in that , in order to improve accuracy, the temperature of additional heating of the thermo-15 resistor is increased to a value In which the initial resistance of the thermistor decreases by 5-10%, the current generating the indicated heating of the thermistor is measured, gradually the heating temperature of the thermistor is increased by 20 stepwise changes in the heating current, fixing the magnitude of the decrease in resistance of the thermistor with each increase in current, while 25 increments of the current are chosen equal the initial value of the heating current of the thermistor, stop the protector relative to the previous value of less than 0.5-1%, measure the minimum resistance of the heated a resistor, and the temperature Θ of the controlled medium is determined by the formula θ _ / lnR ^ -lnRs \ I? Rz • ^k InRlnR ₂ “S '' where R, is the resistance of the thermistor at the temperature of the controlled medium; R 2 - сопротивление терморезистора, дополнительно нагретого током;R 2 is the resistance of the thermistor, additionally heated by current; R - минимальное сопротивление нагретого током терморезистора;R is the minimum resistance of a thermistor heated by current; I_? - ток дополнительного нагрева терморезистора;I _? - current additional heating of the thermistor; С - коэффициент рассеяния тепла нагретым терморезистором;C is the coefficient of heat dissipation by a heated thermistor; S - поверхность охлаждения терморезистора.S is the cooling surface of the thermistor.